Embed Size (px)
Citation preview
bi
Utredning inför uppgradering av styrsystem på ett pappersbruk med
tillhörande kortslutningsberäkningar
Investigation prior to an upgrade of a control system in a paper mill with related short
circuit calculations
Examensarbete för högskoleingenjörsexamen inom Elektroingenjörsprogrammet
Björn Wiklander
Institutionen för Material- och tillverkningsteknik
Avdelningen för Högspänningsteknik
CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
Göteborg, Sverige 2011
Examinator: Jörgen Blennow
Examensarbete nr 66/2011
ii
iii
Utredning inför uppgradering av styrsystem på ett pappersbruk med tillhörande
kortslutningsberäkningar
Björn Wiklander
Institutionen för Material- och tillverkningsteknik
Avdelningen för Högspänningsteknik
CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
Göteborg, Sverige 2011
iv
Utredning inför uppgradering av styrsystem på ett pappersbruk med tillhörande
kortslutningsberäkningar
© Björn Wiklander, 2011
Examensarbete nr 66/2011
Institutionen för Material- och tillverkningsteknik
Avdelningen för Högspänningsteknik
CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
Göteborg, Sverige 2011
SE-412 96 Göteborg
Sweden
Telephone + 46 (0)31-772 1000
Figur på omslaget: Inkommande huvudställverk på SCA Ortvikens papperbruk
Björn Wiklander
Sundsvall, Sverige 2011
v
Utredning inför uppgradering av styrsystem på ett pappersbruk med tillhörande
kortslutningsberäkningar
Björn Wiklander
Institutionen för Material- och tillverkningsteknik
Avdelningen för Högspänningsteknik
CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
Sammanfattning SCA Ortvikens Pappersbruk ska bygga ut sitt nuvarande styrsystem för högspänning, ABB Microscada,
till ett system som även ska kunna klara av att räkna ut kortslutningseffekter vid olika driftlägen på
fabriksområdet.
Examensarbetet har som mål att införa en del av pappersbrukets elnät in i det nya styrsystemet samt
sammanställa och beräkna nya data för komponenter och utrustning. Efter införandet skall en
kontroll av resultaten som styrsystemet ger göras mot befintliga selektivplaner och utförda
beräkningar.
Den del som främst har analyserats är en matning som börjar vid inmatningspunkten på Ortviken och
följer dessa ner via olika ställverk och matningar till två transformatorer för att sluta på 0,4 kV.
Arbetet har visat att uppgifterna som styrsystemet lämnar angående kortslutningseffekter inte alltid
stämmer överens med de värden de kontrollerats mot. Detta visade sig främst vid
kontrollberäkningar av de olika transformatorernas bidrag till kortslutningseffekten samtidigt har
systemet svårigheter att arbeta med maskade nät. Eftersom Ortviken använder just maskade nät och
har två inkommande linjer som vid normal drift ligger parallellt har en kompromiss gjorts, de båda
inkommande matningarna antags i alla beräkningar och simuleringar vara en matning, där
kortslutningseffekterna summerats.
vi
Abstract SCA Ortviken paper mill will expand its existing controller systems for high voltages, ABB
MicroSCADA, to a system which also should be able to calculate short-circuit powers for different
operating modes. The thesis aims to introduce a part of the paper mills power grid into the
new controller system and to collect and calculate new data for components and equipment. After
the inclusion, a control will be made to check the results that the system reports to the existing short
circuit calculations.
The part that has been analyzed is a circuit that starts at the entry point for the incoming connections
at Ortviken and follow them down through various substations and transformers to end at 0,4 kV.
The work has shown that the results given by the new system on short circuit powers do not always
correspond to the values they are checked against. This was clearly stated when the results from the
transformer calculations was reviewed. The system also contains problems working
with meshed networks. Ortviken Paper uses masked networks and has two incoming lines during
normal operation in a parallel circuit. Because of this problem a compromise has been made, where
the two feeds are simulated as one and the short circuit powers has been summarised.
vii
Förord Detta examensarbete har utförts på SCA Ortvikens pappersbruk i Sundsvall som ett avslut på min
utbildning till Elkraftingenjör vid Chalmers tekniska högskola.
Jag vill tacka Ola Löfgren på Ortviken som gjort detta arbete möjligt och hans två kollegor Urban
Holmgren och Torbjörn Karlsson som varit till hjälp under arbetet vid frågor, funderingar och
förklaringar kring systemen på Ortviken.
Jag vill även passa på och tacka min handledare på Chalmers Aleksander Bartnicki för hans stöd i
frågor och kunskap i beräkningar.
Ett stort tack ska även Oskar Nordlander och Lars Eriksson ha för all hjälp, förklaringar, bakgrunder
och beskrivningar av kortslutning och jordslutningars påverkan på ett elnät.
Samtliga figurer i texten är reproducerade med vederbörligt tillstånd.
Sundsvall den 20 september 2011
Björn Wiklander
viii
Innehållsförteckning
Sammanfattning ................................................................................................................................... v
Abstract ............................................................................................................................................... vi
Förord ................................................................................................................................................. vii
Beteckningar och förkortningar .......................................................................................................... ix
1. Inledning .............................................................................................................................. 1 1.1 Bakgrund ................................................................................................................................ 1
1.2 Syfte ....................................................................................................................................... 1
1.3 Avgränsningar ........................................................................................................................ 1
2. Teknisk bakgrund .................................................................................................................. 1 2.1 Kortslutningsberäkningar ....................................................................................................... 1
2.2 Selektivitet ............................................................................................................................. 3
2.3 Dynamiska kortslutningsberäkningar .................................................................................... 4
3. Arbetsgång och användande av programvaror ....................................................................... 6 4. Beräkningar av kortslutningsströmmar och effekter ............................................................... 6 4.1 Beräkningar utförda med programmet Netkoll ..................................................................... 6
4.2 Beräkningsmodell .................................................................................................................. 7
4.3 Egna beräkningar av kortslutningseffekter .......................................................................... 16
4.3.1 Impedanssummeringsmetoden ........................................................................................... 16
4.3.2 Delkortslutningseffektsmetoden .......................................................................................... 19
4.3.3 Beräkning av jordslutningsströmmar ................................................................................... 21
4.3.4 Beräkning av enfasiga kortslutningsströmmar via neutralledaren ...................................... 24
5. Styrsystemet ....................................................................................................................... 25 5.1 Scadasystem ......................................................................................................................... 25
5.2 Beskrivning av DMS600 ........................................................................................................ 26
5.2.1 Infogande av data i DMS600 ............................................................................................ 27
5.3 Jämförelse mellan beräkningsresultat ................................................................................. 28
6. Diskussion och slutsatser .................................................................................................... 32 Referenser .............................................................................................................................. 34 Appendix A, Netkoll uträkning över ställverk ORT145 – ST2-41 ....................................................... 35
Appendix B, Data för en brytare i ABB Safesix serie ......................................................................... 37
ix
Beteckningar och förkortningar
Ik Kortslutningsström (A)
Sk Kortslutningseffekt (VA)
Un Nominell spänning (V)
zk relativ kortslutningsimpedans (%)
rk relativ kortslutningsresistans (%)
Zk Kortslutningsimpedans (Ω/fas)
Rk Kortslutningsresistans (Ω/fas)
Xk Kortslutningsreaktans (Ω/fas)
DMS Distribution Management System
SCADA Supervisory Control And Data Acquisition (Programvara för styrning av processeer
genom grafiska processbilder)
1
1. Inledning
1.1 Bakgrund Ortviken är ett pappersbruk beläget i Sundsvall och tillhör SCA koncernen. Ortviken är en stor
elenergiförbrukare med en konsumtion på ca 2 TWh årligen, och med ett distributionssystem som
har en spänning från 145 kV ner till 10, 6,3, 0,7 och 0,4 kV är Ortvikens elnät något som påminner om
elnätet i en mindre stad.
Kraftförsörjningen styrs idag med hjälp av ABB MicroSCADA styrsystem. Detta planeras idag att
utökas till ett system som även ska omfatta selektivitetsplaner, kunna vara till stöd vid
driftomläggningar samt tydligt kunna ge en illustrativ bild av den aktuella driftanläggningen på
bruket.
1.2 Syfte Selektivplansberäkningar, är idag en tjänst Ortviken köper av en konsult. På sikt skulle alla
beräkningar och inställningar kunna föras över till det nya systemet från ABB för att själva kunna ha
kontrollen på egna nätdata. Idag finns all den informationen i en konsults databas, vilket i sig inte är
något fel men ökar sårbarheten om konsultverksamheten läggs ner eller säljs.
Syftet med examensprojektet är att pröva det nya styrsystemet, att bygga upp en liten del av
Ortvikens distributionsnät med korrekta nätdata och kontrollera de värden på kortslutningsströmmar
och selektivplaner som det nya systemet ger, med befintliga beräkningar.
1.3 Avgränsningar Examensarbetet har ej som syfte att slutföra uppgraderingsprojektet med att gå igenom all tillgänglig
nätdata på Ortviken och införa denna i systemet. Arbetet kommer istället att rikta in sig på att införa
en del av Ortvikens elnät in i det nya styrsystemet samt upprätta dokumentation med data för
komponenter och inkommande strömmar. Efter införandet kontrolleras resultaten som styrsystemet
ger angående kortslutningseffekter.
2. Teknisk bakgrund
2.1 Kortslutningsberäkningar En kortslutning kan beskrivas som en förbindelse mellan jord och en eller flera faser (jordslutning),
mellan två faser (tvåfasig kortslutning), eller mellan tre faser (trefasig kortslutning). Vid en
kortslutning kommer en kraftigare ström uppstå än vad system är dimensionerat för i ett normalt
driftsfall [1].
2
Figur 1 och 2 illustrerar en krets i olika tillstånd, överst en krets i stationärt tillstånd och nederst
samma krets men med en jordslutning mellan fas och jord utan övergångsimpedans i felstället. Detta
orsakar att en hög kortslutningsström kommer att flyta i kretsen. Generatorn i kretsen betecknas G
och utgör spänningskälla i den aktuella kretsen, Z är beteckningen för lastens impedans, ZL är
ledningens impedans, Zk är kortslutningsimpedansen.
Figur 1: Ekvivalent Y-fas schema över en krets i normalt tillstånd, pilarna visar strömmens riktning
Figur 2: Ekvivalent Y-fas schema över en kortslutning mellan jord och fas (jordslutning) utan
övergångsmotstånd i felstället, pilarna visar strömmens riktning efter att felet uppstått
Vid dimensionering av elsystem tas hänsyn till kortslutningar. Detta på grund av de starka mekaniska
och termiska påkänningar dessa skapar på utrustningen i en krets. I denna rapport tas enbart
exempel och beskrivningar upp av växelspänningssystem.
Den kortslutna kretsens impedans är ofta nära noll, vilket medför att en oändligt hög ström skulle
uppstå om den inte begränsades av det matande nätet. För att dimensionera utrustning för dessa
strömmar utförs kortslutningsberäkningar. Dessa beräkningar utförs ofta med hjälp av sambandet
nedan
n
kk
U
SI
3
(1)
Ekvation (1) visar sambandet mellan kortslutningseffekt, märkspänning och kortslutningsström.
3
Dessa värden är de som styr kostnaden för utrustningen i systemet. En högre kortslutningseffekt
medför att kraftigare och därutav också dyrare utrustning behöver användas [2].
En hög kortslutningseffekt är ett krav för vad som kallas ett starkt bakomliggande nät. På Ortviken är
det önskvärt med ett starkt nät, då start av stora laster såsom motorer annars skulle orsaka
störningar på distributionsnätet och därför görs ingenting för att minska på kortslutningseffekten.
Figur 3: Trefasig kortslutning med samtidig jordslutning, på 145 kV nivå på Ortviken.
Figur 3, visar ström och spänning vid en kortslutning. Spänningen blir noll och strömmen blir flera ggr
högre än normalt och detta sker i några millisekunder tills en brytare bortkopplar felkällan.
Stora felströmmar försöker man att undvika och ett av sätten är att vid ett jordfel använda ett icke
direktjordat system. På Ortviken används en nollpunktsresistans på 6 kV nivån och med hjälp av ett
sådant kan felströmmarna minimeras vid ett jordfel, och driften behöver inte påverkas eftersom de
kan fortsätta trots ett jordfel.
2.2 Selektivitet Selektivitet är en metod som används för att säkerställa drift i alla anläggningar små som stora. Det
beskrivs lättast som ett sätt att vid ett fel endast koppla bort den kringliggande utrustning, även om
alla skydd i den aktuella kretsen registrerar felströmmen. För att åstadkomma detta installeras
brytare eller säkringar så nära känslig utrustning som möjligt. Det kan även göras genom inställningar
i skydd eller använda säkringar som har en kortare utlösningstid än den ovanliggande matande
brytaren eller säkringar har.
Exempel: Om det hemma hos Kalle inträffar en kortslutning i brödrosten, ska först en säkring i Kalles
proppskåp lösa ut, och inte en brytare ute hos nätleverantören.
I ett stort distributionsnät där det kan finnas möjlihet att mata en punkt i nätet på olika sätt är det
viktigt att skydd är uträknade och inställda på rätt sätt. Detta kan vara problematiskt då olika
driftlägen ger olika kortslutningseffekter. Problemet kan lösas på olika sätt. Ett sätt är att använda
överdimensionering, där utrustningen tål alla olika driftlägen. Ett annat sätt att lösa problemet är att
för varje driftläge använda olika inställningar.
4
Figur 4: Ett effekt/tid diagram, beskriver hur inställningar på skydd i en krets ser ut. Kretsen är densamma som i
figur 7, se sidan 8
Med termen selektivitet menas inte enbart dimensionering av brytare och säkringar, utan en viktig
del av en selektivplan är dimensioneringen av all utrustning i kretsen. Kablar ska utöver de nominella
strömmarna klara de högre kortslutningsströmmarna. Vid dimensionering av kablar och luftledningar
använder man sig av beräkningar för belastningsförmåga, vid dessa beräkningar tas alla sorters
förhållanden i beaktning, såsom om kablarna är dragna på kabelstege eller nedgrävda i mark,
omgivningstemperaturer osv.
2.3 Dynamiska kortslutningsberäkningar Då det finns stora möjligheter på Ortviken att göra olika driftomläggningar vid t.ex. fel eller underhåll
finns ett önskat behov av att kunna på ett enkelt och illustrativt sätt se vilka kortslutningseffekter
som kan tänkas uppstå vid olika driftstfall.
ABB har en programvara (DMS600) som kan sköta kortslutningsberäkningar för elkraftssystem.
Programvaran har möjlighet att antingen via simulering eller via skarpa kommandon ut till brytare
och utrustning kunna göra olika omräkningar vid olika typer av driftläggningar. Då det på ett
pappersbruk finns väldigt många motorer, transformatorer och även generatorer kan det uppstå
väldigt många olika scenarier där kortslutningseffekterna kan variera väldigt mycket.
0,01
0,1
1
10
1 10 100 1000
Överströmskydd GIS-A
Överströmskydd T2-130
Samlingskeneskydd ST2
Samlingskeneskydd ST2- 31 ST2-41
T14 - Skydd utg grupp från ST2-41
S (MVA)
t (s)
5
Systemet kan även på ett illustrativt sätt visa detta genom att färglägga olika matningar med olika
färger allt efter förmåga att klara av kortslutningsberäkningar, systemet kan också visa olika
färgkoder beroende på aktuell belastning , belastningsbarhet och spänningsnivåer. Normalt visar
också systemet om det finns spänningslösa delar i systemet.
Nedan en bild på hur styrsystemet DMS600 visar kortslutningseffekter, det är dynamiskt på det
sättet att om man ändrar kopplingsläge så räknas alla data för kortslutningsströmmar och
spänningsfall ut automatiskt.
Figur 5: Schematisk bild över ett distributionsnät, till höger visas hur systemet räknar ut kortslutningsströmmar
för en kabel (lila linje) i systemet
De färger som kan ses i bilden förklaras nedan [4]
De gröna linjerna visar att de har en spänningsnivå på 132kV
Den lila färgen på visar att en linje är markerad
De värden som kan ses i dialogrutan förklaras nedan [4]
I - den nominella ström som flyter i kretsen i normalt driftläge
P - den nominella effekt som leds fram genom ledningen
Q - den reaktiva effekten
U - den aktuella spänningsnivån
6
Ik3max - den kortslutningsström som skulle uppstå vid en trefasig kortslutning, vid början på
en matning sett i strömmens riktning.
Ik3 - den senast uppmätta trefasiga kortslutningsström
Ik2min - den lägsta kortslutningsström som kan uppstå i änden på en matning sett i strömens
riktning mellan två fasledare
Ik2 - den senaste uppmätta tvåfasiga kortslutningström
Ik1max - är den maximala kortslutningsström som kan uppstå i en matningsände sett i
strömmens riktning mellan en fasledare och jord.
3. Arbetsgång och användande av programvaror Till förfogande finns nuvarande dokumentation om kortslutningseffekter, selektivberäkningar och
dokumentation för all utrustning. Utöver dessa gjordes beräkningar under arbetet för hand över ett
antal olika delar i nätet, dessa beräkningar jämfördes mot de befintliga uträkningarna och
kontrollerades sedan ytterligare i programmet Netkoll. För de uträkningarna som gjordes för hand
användes Microsoft Excel.
Litteratur som användes under projektet var ställverksdokumentation, samt befintliga selektiv- och
kortslutningseffektsberäkningar, undervisningsmaterial och litteratur i ämnena kring elkraftteknik.
4. Beräkningar av kortslutningsströmmar och effekter Beräkningarna nedan är utförda både för hand och med hjälp av programmet Netkoll. De beräknade
värden som framställs i detta kapitel kommer i kapitel 5.4 att jämföras mot de värden som DMS600
lämnar.
Innan beräkningar för kortslutningseffekter kunde utföras var ett förarbete nödvändigt. Detta arbete
bestod främst i att samla in nödvändiga data för en del av utrustningen som finns i distributionsnätet.
Då dokumentation saknas för vissa delar har approximativa antaganden och uppskattningar utförts.
Befintliga selektivplaner är utförda av en extern konsult, dessa värden har använts som utgångspunkt
i arbetet i kontrollräkning av vad DMS600 har beräknat. Dessa selektivplaner är utförda från 130 kV
ner till transformatornivå på 400 V sidan, eftersom arbetet till viss del sträcker sig ner längre i
distributionsnätet än vad den tillgängliga dokumentationen har gått in på, finns inga värden att
jämföra med. I dessa fall ha jämförelser i programmet Netkoll utförts.
4.1 Beräkningar utförda med programmet Netkoll Netkoll är ett nätberäkningsprogram som arbetar med hjälp av inmatning av fysiska storheter. Den
första data som matas in i systemet är den aktuella matningspunkten, efter detta anges data för
efterkommande utrustning. I figur 6 nedan visas en skärmbild över det aktuella programmet. När all
väsentlig data är inmatad kan man snabbt och tydligt se resultaten av uträkningarna på skärmen.
En begränsning med programvaran är att den enbart räknar med delkortslutningseffekter samt att
möjligheten att lägga in värden på nollpunktsmotstånd på mellanspänningssidan saknas.
Vid beräkning av tvåfasiga kortslutningar används följande samband.
7
2
3*32 kk II
(2)
Vid beräkning av jordslutningsströmmar används följande samband
2
3kJ
II
(3)
I programmet Netkoll finns möjlighet att använda en konstant för en resistansökningsfaktor vid en
kortslutning. Denna konstant är i grundinställningarna inställd på 1,25 ggr se figur 6. nedan. Denna
konstant används för att kompensera för de förenklade beräkningarna för jordslutningsströmmarna.
[6].
Figur 6: Programmet Netkoll, i bakgrunden presentation av resultat för uträkningar i ett enlinjeschema format, i
dialogrutan syns hur konstanten för resistansökning kan ändras
I appendix A visas resultatet av uträkningarna utförda i Netkoll.
4.2 Beräkningsmodell Beräkningar och jämförelser mellan de olika resultaten baseras på den del av nätet som presenteras
nedan i figur 7. Alla beräkningar är baserade på att normalt driftsfall råder.
8
Figur 7: Enlinjeschema från inkommande 145 kV ställverk till lågspänningställverk 0,4 kV
9
De beteckningar som används i figur 7 förklaras nedan.
ORT145
Är det inkommande utomhusställverket på Ortviken, 2st Inkommande 145 kV luftledningar ansluts
mot två stycken skenor via gasisolerade brytare.
Figur 8: Inkommande huvudställverk – ORT145
10
GIS
Är ett fördelningsställverk av typen gasisolerat ställverk (GIS) visar i figur 9. Det är placerat inomhus,
detta kan åstadkommas då gasisolerade ställverk är väldigt kompakta. Istället för att använda luften
som isolationsmedium mellan spänningsförande delar används en SF6 gas. Precis som i ORT145 är det
dubbla skensystem i detta ställverk. Datablad för det gasisolerade ställverket finns i figur 10.
Figur 9: Gasisolerat ställverk (GIS)
11
Figur 10: Datablad för det gasisolerade ställverket
T2
En transformator från ABB med en omsättning på 132/6,3 kV och en märkeffekt på 20 MVA.
Transformatorn är av typen ONAF (Oil natural Air forced), vilken betyder att den kyls via
självcirkulerande olja vilken i sin tur kyls aktivt genom fläktar. Den har kopplingsarten YNyn0 på
uppsidan är transformatorn jordad via en ventilavledare, på nedsidan är neutralpunkten ansluten till
jord via en nollpunktsresistans på 254 Ω. Data finns i figur 11 och 12.
12
Figur 11 : Data för transformator T2
13
Figur 12 : Data för transformator T2
ST2
Ett fördelningställverk av typen Safesix med ett fast skensystem, men där brytarna är placerade på
truckar, detta medför att efter det att en brytare öppnat en krets så kan trucken rullas ut ur sitt läge
och på detta sätt uppfylla vilkoren för frånskiljning. Detta underlättar även vid underhåll då en
brytare lätt kan tas ur sitt läge och servas. Här används också gasisolerade brytare.
Se appendix B
ST2-41
Ett fördelningställverk av typen SafeSix, se ST2
T14
En transformator från ABB med en omsättning på 6,3/0,4 kV och en märkeffekt på 1.6 MVA.
Transformatorn är av typen ANAN (Air natural air neutral), vilket betyder att den är luftisolerad och
luftkyld utan fläktar. Den har kopplingsarten Dyn11 med direktjordad nollpunkt, figur 13.
14
Figur 13 : Data för transformator T14
15
ST14
Ett underfördelningsställverk som fördelar kraftmatningar till olika motor och styrdrifter.
Data för uträkningar till kablar har hämtats ur ABB XLPE Land Cable Systems User’s Guide *5].
ORT145
Un = 145 kV Sk = 4039 MVA
Kabel mellan ORT145 och GIS-A Dim: 3//1*1000 AXKJ Längd: 250 m Data från [4]: l = 0,51 mH/km, r = 0,0291 Ω/km
Kabel mellan GIS-A och T2 Dim: 3//1*630 AXKJ Längd: 350 m Data från [4]: l = 0,55 mH/km, r = 0,0469 Ω/km
Data för T2:
Un: 132 / 6,3 kV
Sn: 20 MVA
zk: 13 %
rk: 0,62%
Kabel mellan T2 och ST2 Dim: 5//3*630 AXKJ Längd: 100 m Data från [4]: l = 0,51 mH/km, r = 0,0117 Ω/km
Kabel mellan ST2 och ST2-41 Dim: 4//3*630 AXKJ Längd: 250 m Data från [4]: l = 0,51 mH/km, r = 0,0117 Ω/km
Kabel mellan ST2-41 och T14 Dim: 3*185 AXKJ Längd: 50 m Data från [4]: l = 0,63 mH/km, r = 0,164 Ω/km
16
Data för T14:
Un: 6,3 / 0,4 kV
Sn: 1,6 MVA
zk: 6,2 %
rk: 0,78 %
4.3 Egna beräkningar av kortslutningseffekter Nedan visas hur en uträkning går tillväga för kretsen som beskrivs i 4.2 ovan. Uträkningarna är
utförda på två olika sätt, impedanssumeringsmetoden är en metod där hänsyn tas till nästan alla
data i kretsen. Nackdelen med denna metod är att den blir avancerad och tidskrävande.
Sambanden som används för att räkna ut reaktans och resistans för kablarna visas nedan
alfX 2
arR
Där X är reaktans Ω/fas, f frekvensen (50 Hz), l induktansen H/km, a längden på kabeln,
R = resistans Ω/fas, r = resistans Ω/km
Uträkningar med kortslutningseffekter är enklare att hantera, här tas hänsyn bara till
kortslutningsimpedansen, och en summering och ihopläggning av effekter är möjligt. Denna metod
är snabb, men inte lika exakt, men då man oftast får ett högre värde på resultaten i jämförelse med
impedanssumerningsmetoden så är det acceptabelt, eftersom ett högre värde leder till
överdimensionering.
4.3.1 Impedanssummeringsmetoden
ORT145
205,5145
2
145, k
ORTkS
UZ Ω/fas
082,163*
145,
145, K
n
ORTkZ
UI kA
När de inkommande matningarna är luftledningar, antas en rent induktiv kortslutningsimpedans
145,145, ORTkORTk ZX
0145, ORTkR Ω/fas
17
Kabel ORT145 – GIS
X = 27,5 mΩ/fas
R = 7,3 mΩ/fas
GIS
233,522
, TOTTOTGISk RXZ Ω/fas
997,153*
145,
, K
n
GISkZ
UI kA
4017**3 ,, GISKGISk IUS MVA
Kabel GIS – T2
X = 41,8 mΩ/fas
R = 16,4 mΩ/fas
Transformator T2
Omsättning 132 / 6,3 kV
Sn = 20 MVA
zk = 13 %
rk = 0,62 %
663,136)/(*)100/(, 2
2 nkTk SUzZ Ω/fas
518,6)/(*)100/(, 2
2 nkTk SUrR Ω/fas
507,136, 2
2,
2
2,2 TkTkTk RZX Ω/fas
541,6TOTR Ω/fas
782,141TOTX Ω/fas
Då ovanstående data är beräknat för 145 kV, räknas de nu om till 6,3 kV
Un = 6,3 kV
01235,0*)/( 2
1453,6 TOTTOT RUUR Ω/fas
26765,0*)/( 2
1453,6 TOTTOT XUUX Ω/fas
18
Kabel T2 – ST2
X = 3,204 mΩ/fas
R = 0,938 mΩ/fas
ST2
271,022
2, TOTTOTSTk RXZ Ω/fas
41,133*
2, k
STkZ
UI kA
146**3 2,2, STkSTk IUS MVA
Kabel ST2 – ST2-41
X = 10,014 mΩ/fas
R = 2,9310 mΩ/fas
ST2-41
2813,022
412, TOTTOTSTk RXZ Ω/fas
93,123*
412,
k
STkZ
UI kA
141**3 412,412, STkSTk IUS MVA
Kabel ST2-41 – T14
X = 9,896 mΩ/fas
R = 8,200 mΩ/fas
Transformator T14
Omsättning 6,3 / 0,4 kV
Sn = 1,6 MVA
zk = 6,2 %
rk = 0,78 %
53798,1)/(*)100/(, 2
14 nkTk SUzZ Ω/fas
19349,0)/(*)100/(, 2
14 nkTk SUrR Ω/fas
52577,1, 2
14,
2
14,14 TkTkTk RZX Ω/fas
19
218,0TOTR Ω/fas
817,1TOTX Ω/fas
Då ovanstående data är beräknat för 6,3 kV, räknas de nu om till 0,4 kV
000878,0*)/( 2
3,64,0 TOTTOT RUUR Ω/fas
007323,0*)/( 2
3,64,0 TOTTOT XUUX Ω/fas
ST14
007375,022
14, TOTTOTSTk RXZ Ω/fas
31,313*
14, k
STkZ
UI kA
7,21**3 14,14, STkSTk IUS MVA
4.3.2 Delkortslutningseffektsmetoden
I dessa uträkningar är impedanser hämtade ifrån de tidigare selektivberäkningar som gjorts av extern
konsult. Detta är samma metod som den externa konsulten använt för att beräkna
kortslutningseffekter.
Uträkningarna baseras på följande två samband
k
ORTkZ
US
2
145,
, 21,
111
kkTOTk SSS
4039145, ORTkS MVA
Kabel ORT145 – GIS
Zk = 0,02981 Ω/fas
7053002
k
kZ
US MVA
GIS
401611
1
,145,
,
kabelkORTk
GISk
SS
S MVA
20
KABEL GIS – T2
Zk = 0,044902 Ω/fas
4672422
k
kZ
US MVA
T2
7,136)/(*)100/(, 2
2 nkTk SUzZ Ω/fas
8,1532
2, k
TkZ
US MVA
ST2
149111
1
2,,,
2,
TkkabelkGISk
STk
SSS
S MVA
KABEL ST2 – ST2-41
Zk = 1,583 mΩ/fas
250722
Z
USk MVA
ST2-41
14811
1
2,
412,
kSTk
STk
SS
S MVA
Kabel ST2-41 – T14
Zk = 12,85 mΩ/fas
30882
k
kZ
US MVA
21
T14
5379,1)/(*)100/(, 2
14 nkTk SUzZ Ω/fas
8,252
14, Z
US Tk MVA
ST14
81,21111
1
14,,412,
14,
4122,
TkkTk
STk
SSS
S
ststKabel
MVA
4.3.3 Beräkning av jordslutningsströmmar
Ett jordfel som beskrivit i figur 2, där inget övergångsmotstånd i felstället finns, är utgångspunkten i
beräkningar och förklaringar nedan.
Jordfelsströmmar kan i vissa fall uppgå till kraftiga strömmar, ibland även större än de trefasiga
kortslutningar som diskuterats ovan. Detta har lett till att olika metoder för att minska
felströmmarna har tagits fram. På Ortviken används resistansjordad nollpunkt på 6,3 kV nivån.
Ett jordfel kan beskrivas med hjälp av Thévenin ekvivalens scheman för ett jordel i ett trefassystem.
I figur 14 visas ett ekvivalent schema, där Z1 är plusföljdsimpedansen, Z2 är minusföljdsimpedansen
och Z0 är nollföljdsimpedansen.
22
Figur 14: Ekvivalent schema över ett jordfel i ett distributionsnät med de symmetriska
komponenterna
Plusföljdsimpedansen och minusföljdsimpedansen antas vara lika, plusföljdsimpedans är den
impedans som tidigare behandlats som kortslutningsimpedansen Zk.
Nollföljdsimpedansen i en trefaskabel kan beräknas enligt ekvation 4 nedan.
Ekvation 4: samband för nollföljdsimpedansen i en trefaskabel [7]
23
Nollföljdsimpedansen i en enfaskabel kan beräknas enligt ekvation 5 nedan.
Ekvation 5: samband för nollföljdsimpedansen i en enfaskabel [7]
rc - radie på ledare (m)
rm = 0,7779* rc (m)
rs - medelradie skärm, (m)
d - avstånd mellan ledare (m)
Rc - ledarresistans, (Ω/m)
Rs - skärmresistans, (Ω/m)
Rg – markresistivitet (Ωm)
De – ledardiameter (m)
µ0 = 7104 (Vs/Am) permeabilitet för vakum
ω = f2 (rad/s) vinkelhastighet
På 145 kV sidan av nätet fås en nollföljdsimpedans och en maximal jordslutningsström av nätägaren i
huvudställverket på Ortviken, antagandet gör då gällande att eftersom det är relativt korta kablar
som fördelar denna spänningsnivå så antas det vara samma jordslutningsström till T2.
Transformatorerna på 145 kV sidan av nätet är anslutna till jord via en ventilavledare dvs
neutralpunkten är ojordad och bidrar således inte till jordslutningsströmmen i kretsen.
På 6,3 kV sidan används ett nollpunktsmotstånd i form av en resistans på 254 Ω. Med hjälp av denna
resistans kan högsta jordslutningströmmen på 6.3 kV sidan av nätet beräknas enligt ekvationen
nedan.
32,14254
3/3,6fI A
På 0,4 kV sidan av nätet är transformatorerna kopplade med Dyn, vilket innebär att det blir ett
avbrott i nollföljdsimpedansen på uppspänningssidan sidan.
Detta resulterar i följande beräkningsgång där ett fall undersöks för en matning ut från ST14.
Nedan följer resultat för ST14 som beräknats i 4.4.1
6984,014 TR mΩ/fas
367,714 TX mΩ/fas
24
4,72
14
2
1414, TTSTk RXZ mΩ/fas
Vid uträkning för jordfelsströmen alldeles intill ställverket kan nollföljdsimpedansen försummas,
således erhålls följande samband
31,14,
14 STK
f
STkJZ
UI kA
För att räkna ut jordfelet i punkten 100 m från ställverket adderas RT14 och XT14 med de från en
100 m kabel nedan.
Kabel mellan T14 och en punkt i nätet där en jordslutning inträffat
Dim: 4*150 AXKJ Längd: 100 m Data från [4]: l = 0,2 mH/km, r = 0,206 Ω/km
R0 = 0,5 Ω/km, X0 = 0,66 Ω/km
X1 = X2 = 0,00683 Ω/fas
R1 = R2 = 0,0206 Ω/fas
Nollföljdsimpedansen blir för 100 m kabel:
R0 = 0,05 Ω/fas
X0 = 0,066 Ω/fas
45,5)()(
*3
2
02114
2
02114
RRRRXXXX
UI
TT
f
kJ kA
4.3.4 Beräkning av enfasiga kortslutningsströmmar via neutralledaren
Dessa uträkningar utförs för att kunna jämföra med de värden DMS lämnar på IK1. IK1 på
lågspänningssidan motsvarar kortslutningströmmen mellan en fas och neutralledare utan
övergångsmotstånd. Eftersom dessa resultat enbart beräknas på lågspänningssidan så görs
beräkningar enbart på en krets på lågspänningssidan.
Detta resulterar i följande beräkningsgång där ett fall undersöks för en matning ut från ST14.
Nedan de resultat för ST14 som beräknats i 4.4.1
6984,014 TR mΩ/fas
367,714 TX mΩ/fas
4,72
14
2
1414, TTSTk RXZ mΩ/fas
25
Vid uträkning för kortslutningströmmen alldeles intill ställverket kan alla impedanser försummas,
således erhålls följande samband
31,14,
14 STK
f
STkJZ
UI kA
För att räkna ut jordfelet i punkten 100 m från ställverket adderas RT14 och XT14 med de från en
100 m kabel nedan.
Kabel mellan T14 och en punkt i nätet där en jordslutning inträffat
Dim: 4*150 AXKJ Längd: 100 m Data från [4]: l = 0,2 mH/km, r = 0,206 Ω/km
X1 = 0,00683 Ω/fas (notera att samma värde gäller för neutralledaren)
R1 = 0,0206 Ω/fas (notera att samma värde gäller för neutralledaren)
9,4)()( 2
14
2
14
1
neutralkabelTneutralkabelT
f
k
RRRXXX
UI kA
5. Styrsystemet
5.1 Scadasystem På Ortviken används idag ABB MicroSCADA SYS600. Ett scadasystem kan beskrivas som en
programvara med möjligheter att till en processbild (normalt en illustrativ bild över en industriell
process), knyta avlästa värden, så att möjlighet finns till att tex. knyta olika färgkoder till
spänningsnivåer eller olika larm. Tanken är i grunden att knyta ihop alla mätvärden och
manövermöjligheter till ett och samma system, för att enkelt kunna styra en process. Då olika
lösningar av nätverk och bussystem blivit billigare och vanligare samt att utbredningen av datorer
skett de senaste åren har scadasystem blivit billigare och därav också vanligare även utanför
industrin.
SYS600 från ABB som används på Ortviken skiljer sig från dessa system då det är ett styrsystem som
främst inriktar sig på elektrisk kraftförsörjning.
I figur 15 visas hur en manöverdialog för en brytare visas i systemet. Manöverdialogen framkommer
efter att en operatör markerat en brytare och nu kan objektet manövreras i läget ”från”. I denna och
liknande dialoger för andra objekt kan tex Tillslag/Frånslag göras, samt presenterar eventuell annan
information som är knuten till objektet.
26
Figur 15: Bild över en av processbilderna i SCADA SYS600 systemet på Ortviken där en brytare markerats och
en manöverdialog presenteras för operatören
5.2 Beskrivning av DMS600 ABB MicroSCADA Pro Distribution Management System 600 (DMS600) är ett Geografiskt baserat
distributionssystem där funktionerna från ett SCADA system paras ihop med en programvara som
geografiskt ska kunna ge användaren mer information samt möjligheter än en traditionell
processbild.
I figur 16 visas en översiktsbild i DMS600 systemet.
27
Figur 16: Utseendet av en processbild i DMS600. Denna kan jämföras med bilden i figur 15. som visar ett
enlinjeschema
DMS systemet kan arbeta fristående, utan att vara knytet med MicroSCADA systemet. Detta är fallet
under projektets genomförande. När systemet är helt utvärderat skall det tas i skarp drift och länkas
med MicroSCADA systemet. Då kommer en operatör i DMS ha möjligheter att manövrera brytare, se
akutella mätdata och uträkningar för kortslutningseffekter.
Listan är lång med funktioner i DMS600. Många av dem är funktioner som mest gynnar
distributionsbolag som har utrustning utspridd över stora arealer. Här bjuder systemet på goda
möjligheter att lokalisera utrustning och få objektdata utskrivet med GPS koordinater.
En av skillnaderna mellan SYS600 och DMS600 är att i det senare så bygger man hela systemet i en
processbild istället för flera i SYS600, en möjlighet med detta är också att knyta olika bakgrundsbilder
till systemet, så att man lätt kan lokalisera vart utrustning finns på området.
5.2.1 Infogande av data i DMS600
Dessa data kommer främst från uträkningar av belastningsförmåga på ledningar samt avläsning för
utrustning i tabeller och liknande. Aktuella data kan vara av typen bryt/slut –förmåga på brytare, och
belastningsbarhet på ledare, samt alla värden på aktuell utrustning i kretsen som tex. frånskiljare till
transformatorer.
28
En stor del av arbetet består utöver att räkna fram och hitta data till objekten av att också konstruera
bilder av typen som kan ses i figur 17 i systemet och knyta ihop dem med ledningar och diverse
utrustning.
Figur 17: Bild över inmatningsdiagrammet för en högspänningsbrytare
5.3 Jämförelse mellan beräkningsresultat I detta avsnitt görs en jämförelse mellan de för hand manuellt uträknade kortslutningsströmmarna
med samma del av kraftsystemet i DMS600. Vid aktuell driftläggning, detta för att kontrollera så att
systemet ger trovärdiga resultat. I Tabell 1 jämförs de trefasiga kortslutningsströmmarna, i tabell 2
jämförs jordslutningströmmar och i tabell 3 jämförs enfasiga kortslutningströmmar via
neutralledaren.
29
Tabell 1: Sammanställning av data från de olika beräkningskällorna för trefasiga kortslutningsströmmar
DMS IK3 (A) Excel Ik3 (A) Befintiga Ik3 (A) Netkoll IK3 (A)
Ort145
(145 kV)
16 079 16 082 16 084 16 082
GIS
16 002 15 997 15 992 16 000
St2 (6,3
kV)
14 888 13 413 13 598 13 477
St2-41 14 329 12 928 13 518 13 176
St14 31 312 28 750 (435V) 31 503
Alla beräkningar är gjorda med 145, 6,3, 0,4 kV som spänningsnivåer. 145 kV har valts som nivå
eftersom det är vid denna nivå de tidigare beräkningarna utförts.
Resultaten som visas i tabell 1 är resultaten ganska lika för de tre Nekoll, Excell, och befintliga, men
för DMS- resultaten så skiljer sig dessa efter transformering ner till 6,3 kV nivå. Bakgrunden till detta
är inte klarlagd.
30
Tabell 2: Sammanställning av data från de olika beräkningskällorna för jordslutningströmmar
DMS IJ1 (A) Excel Ikj (A) Netkoll Ikj (A)
Ort145 (145
kV)
Data finns
ej
tillgängligt
x x
GIS
x x x
STt2 (6,3 kV) 14,8 14,32 **
ST2-41 14,8 14,32 **
ST14 31 648 31 087 34 505
ST14 –
100meter
kabel
4*185mm
FKKJ
* 5 450*** 2 574***
Sammanställning av jordslutningsströmmar för de olika beräkningssätten
* DMS600 saknar funktionalitet för att lämna värden på jordslutningar för lågspänningsidan av nätet.
** Ej tillförlitligt ty det går ej att ange storlek på nollpunktsmotsånd i Netkoll, och eftersom ett
nollpunktsmotstånd används på denna nivå så blir resultaten helt fel.
*** En stor skillnad kan här observeras, arbetet har inte kunnat visa vad som skapar detta, men
troligt är att Netkoll använder egna inbyggda värden för nollföljdsimpedans.
I tabell 2 visas en jämförelse mellan de olika beräkningsresultaten för jordslutningströmmar. På
145 kV nivån av systemet kan inga beräkningar göras då tillräckligt med data saknas. På 6,3 kV sidan
kan man observeras att DMS ger värden som skiljer sig lite mellan de uträknade för hand. Det som
skiljer är troligtvis en avrundning någonstans. På lågspänningsnivån kan DMS inte lämna några
uträkningar. Detta har förts vidare till ABB som ett önskemål till nästa uppdatering av programvaran.
DMS saknar också funktionen att ge ett värde på den trefasiga kortslutningsströmmen på
lågspänningsidan, istället kan en jämförelse göras på enfasiga kortslutningar via neutralledaren och
detta ser vi i tabell 3.
31
Tabell 3: Sammanställning av data från de olika beräkningskällorna för enfasiga kortslutningströmmar via
neutralledaren
Vad DMS IK1 (A) Excel Ik1 (A) Netkoll IK1 (A)
ST14 31 648 31 087 34 505
ST14 –
100meter
kabel
4*185mm
FKKJ
4 465 4 926
32
6. Diskussion och slutsatser I detta projekt har egenskaperna hos styrsystemet DMS600 kontrollerats, i första hand med
avseende på kortslutningsberäkningar.
I beräkningar som utförts har vissa värden medvetet försummats. Sådana värden är t.ex. impedans i
övergångar mellan kablar och olika skensystem, impedanser hos skensystem och vissa skarvningar
vid övergångar på skensystem. Dessa värden har varit försumbara i sammanhanget.
I avsnitt 5.4 framgår att beräkningarna som är utförda i Excel inte helt stämmer överens med de
befintliga, detta beror på att olika värden för kabelresistans och reaktans är tagna för de olika sätten.
Då det är okänt hur de befintliga beräkningarna har utförts så kan ingen kommentar lämnas om
detta. I impedanssumeringsmetoden är också hänsyn tagen till den resistiva delen på
transformatorn, men de tidigare beräkningarna tar bara hänsyn till impedansen. Men som kan ses i
tabellen gör inte dessa två uträkningar någon betydande skillnad.
DMS-värdena skiljer sig markant då det transformeras ner till 6.3 kV nivån, bakgrunden till varför det
förefaller sig så är osäkert. Något som uppdagats under arbetet är däremot att programmet lägger
till mindre impedanser vid alla övergångar för att simulera verkligheten, men då detta är något som
borde sänka kortslutningsströmmarna är det oklart vad de är som har gjort dem högre efter
transformationen. Ett önskemål har förts till ABB att undersöka vad som gör skillnaderna i
beräkningarna vid transformering i transformatorerna, då ett flertal kontroller gjorts och det visar att
DMS räknar annorlunda än vad detta examensarbete gör så har ABB bett att få återkomma i detta
ärende.
En jämförelse med uträkningar för jordslutningar har genomförts, dock har en viss förenkling gjorts
för jordslutningsberäkningarna, som är förklarat i kapitel 4.4.3. Men vid jämförelsen visar det att
DMS på 6.3 kV nivån också lämnar ett nästan identiskt värde, vilket kan visa att approximationen är
giltig.
Ett önskemål från Ortvikens sida är att också få möjlighet att visa resultat för beräkningar av
jordslutningsströmmar och trefasiga kortslutningsströmmar på lågspänningssidan.
Maskade nät är en problematisk del i denna programvara. Den kan behandla detta men inte på ett
tillfredställande sätt. I detta läge måste användaren själv efter varje manöver gå till en meny och
välja ”meshed network analysis” för att få programmet att beräkna nya kortslutningseffekter. Även
då var dessa inte tillfredställande eftersom vissa av beräkningarna saknades i detta läge, eller blev
felaktigt uträknade. Då detta är en stor del av bakgrunden till att systemet införskaffades så är det
inte önskvärt. Detta fick lösas genom att i systemet konstruera enbart en inmatningspunkt, vilket
visade sig inte vara ett stort problem då de två inkommande matningarna normalt ligger förbundna
parallellt.
Ovanstående problem är något som har och vidare ska tas upp i diskussion med ABB då det möjligtvis
kan gå att åtgärda till framtida versioner av systemet.
33
DMS systemet arbetade ju inte ihop ”skarpt” med SYS600 under projektarbetets gång och detta
arbete kan därför inte helt svara för hur detta system kommer att se ut i skarp drift med korrekta
mätdata.
34
Referenser
[1] EL Kraft handboken, Andra upplagan, Stockholm 2002
[2] ABB Handbok Elkraft, Västerås 1987
[3] Elkraft Teknik, Thomas Franzen – Sivert Lundgren, 2002
[4] ABB Microscada pro DMS600 inbyggd hjälpfunktion
[5] ABB (2010 ) ”XLPE Cable Systems, User’s guide, rev. 5”, ABB’s high voltage cable unit in
Sweden
[6] Netkoll Broschyr (2009) http://www.netkollforum.com/NetkollDoc/Broschyr87.pdf (2011-08-03)
[7] ABB High Voltage Cables, ABB AB
35
Appendix A, Netkoll uträkning över ställverk ORT145 – ST2-41
36
37
Appendix B, Data för en brytare i ABB Safesix serie
38
